基于多頻信息融合的高頻雷達目標檢測

郭曉彤 李吉寧 郭文玲 程延鋒 張連迎

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

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基于多頻信息融合的高頻雷達目標檢測

郭曉彤 李吉寧 郭文玲 程延鋒 張連迎

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

針對高頻雷達面臨的干擾嚴重、目標雷達散射截面(Radar Cross-Section,RCS)起伏等問題,提出將靶場雷達中的多頻探測技術引入高頻雷達,大幅降低了干擾和RCS起伏對雷達系統目標檢測能力的制約,同時提出了一種基于非相干積累的多頻信息融合技術,將多頻點數據在速度域上進行非相干積累,獲得高信噪比,進一步提升高頻雷達目標檢測能力. 通過仿真和實測數據驗證,上述方法能夠在原有信噪比基礎上得到提升,與理論值相近. 證明該方法有效.

多頻信息融合;非相干積累;目標檢測

DOI 10.13443/j.cjors.2015070902

引 言

高頻雷達工作于短波段,頻率資源有限,存在大量的廣播電臺、短波通信和工業干擾,同時還有來自短時存在的雷電、流星余跡等無源干擾[1],它們不僅有近區直接傳播而來的,還有從遠區通過電離層反射傳播來的,長時間相干積累時,電離層的時變性會導致這些干擾的空域、頻域特性發生變化,又進一步增加了干擾抑制的難度,加大了對雷達目標檢測的影響. 除此之外,由于目標的自身運動,雷達探測到的方位、姿態都會發生變化,目標各個散射分量合成時,雷達散射截面(Radar Cross-Section,RCS)會隨頻率和姿態變化呈現振蕩性起伏,產生許多尖峰或深谷,導致信號可能在短時間內比噪聲還低,影響雷達的目標檢測能力[2].

文獻[3-4]提到的多頻連續波探測技術因其設備簡單、測距精度高、可同時測速等優點,被廣泛應用于靶場雷達、測距雷達等領域,但這些雷達均工作在厘米波波段,工作在短波波段的多頻雷達還較少有研究. 因此,本文將該多頻探測體制引入高頻雷達中,采用連續的多個短波段頻率照射目標,獲得多個頻率目標散射回波信號,解決目標RCS隨頻率起伏的問題,增加其抗干擾能力,并進一步研究多頻短波雷達體制下目標檢測的問題,將連續多個頻率探測獲得的目標回波信號在速度域上作非相干積累,提升回波信號的信噪比,增強高頻雷達的目標檢測能力.

1 基于多頻信息融合的高頻雷達目標檢測

1.1 基于多頻信息融合抑制高頻雷達外部干擾

由于高頻雷達工作方式的特殊性,其干擾背景比常規雷達強得多,且呈現非平穩性,隨頻率、季節和每天不同的時間而變化,大量外部干擾嚴重影響著雷達檢測性能. 圖1為相鄰兩個時刻某高頻雷達干擾監測系統獲得的不同頻率干擾強度圖,圖1(a)中20.11 MHz處為干擾點,20.25 MHz處為干凈點,20.59 MHz處為干凈點,對應下一時刻圖1(b)中20.11 MHz處為干凈點,20.25 MHz處為干擾點,20.59 MHz處為干擾點.可以看出,相鄰時刻所受干擾頻率不同,若雷達僅工作在其中一個頻率上,干擾對目標探測能力產生的影響較大;若采用以上三個頻率進行探測,均出現強干擾的概率將會大大降低.因此,引入多頻體制后,總可以找到受干擾較小的頻點數據,從而增強雷達抗外部干擾的能力.

(a)

(b)圖1 相鄰時刻干擾數據

1.2 基于多頻信息融合抑制高頻雷達RCS起伏

對于高頻雷達而言,大多數飛機、導彈和艦艇目標的尺寸都處在散射能量的諧振區.在諧振區內,由于各散射分量之間的干涉,目標RCS隨頻率變化產生振蕩性的起伏,不同頻率之間RCS起伏可達20 dB.圖2為利用時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)仿真獲得的某中型飛機目標不同入射角和方位角下的RCS.從圖中可看出,當入射角為105°,方位角為50°,頻率分別為14.4 MHz、16.4 MHz、18.4 MHz及20.4 MHz時,對應的RCS值為10.6 dB、7.708 dB、-7.091 dB及6.038 dB.目標RCS值隨頻率起伏較大,若雷達僅用18.4 MHz探測,目標RCS值急劇下降,導致目標無法被檢測到; 若用以上4個頻率進行探測,則18.4 MHz的探測結果對最終的結果影響較小. 因此,引入多頻體制后,雷達以一定頻率間隔發射探測信號,探測范圍內的目標RCS不會同時很小,總有一些頻率能夠探測到目標,有效克服了RCS隨頻率起伏的問題.

圖2 RCS隨頻率變化圖(入射角為105°)

1.3 基于多頻信息融合的高頻雷達目標檢測處理

由于頻率不同,目標RCS會出現起伏,并且起伏程度不同. 對于起伏較大帶來的問題,可以采用多頻探測技術克服. 而對于起伏不大但信號幅度較微弱的目標來說,探測到的信噪比可能會無法滿足檢測門限,對此本文在多頻探測技術的基礎上提出基于非相干積累的多頻信息融合技術進一步增強雷達的目標檢測能力.

多頻雷達以一定頻率間隔發射并接收多個頻點探測信號,通過對每個頻率探測周期內的信號進行脈沖壓縮、FFT處理獲得距離-多普勒頻率譜圖,如圖3所示.

當目標信號較弱時,每個單一頻點數據可能無法通過檢測門限,因此,對距離-多普勒譜圖進行多普勒-速度轉換,再在相同距離單元上對相鄰探測周期的速度譜進行非相干積累,獲得融合信號,繼而進行目標檢測,處理流程如圖4所示.

圖3 距離-多普勒頻率譜圖

圖4 多頻信息融合流程

為進一步驗證該算法的有效性,開展實地探測試驗,試驗過程中雷達信號帶寬為40 kHz,脈沖重復周期為2 ms,每個頻率相干積累時間內脈沖數為512,發射頻率范圍為5～28 MHz,頻率間隔為1 MHz,檢測門限為10 dB. 對相鄰三個頻點的數據進行該算法的驗證,其中兩組頻率的融合結果分別如圖6、圖7所示.

(a) 探測頻率為17 MHz

(b) 探測頻率為18 MHz

(c) 探測頻率為19 MHz

(d) 三頻點融合后圖5 融合前后信號的信噪比

圖6為14 MHz、15 MHz和16 MHz三個頻點融合前后的信噪比對比圖,圖6 (a)、(b)、(c) 分別為這三個頻點探測到的信噪比圖,信號處的信噪比分別為8.263 dB、8.808 dB和8.646 dB,接近卻均未超過10 dB,無法檢測出目標,第四個為融合后信噪比圖,信號處的信噪比達到10.42 dB,比單一頻率回波信號最高的信噪比高出1.612 dB.

圖7為17 MHz、18 MHz和19 MHz三個頻點融合前后的信噪比對比圖,同理,圖7 (a)、(b)、(c)分別為三個頻點探測到的信噪比圖,信號處的信噪比分別為8.665 dB、8.123 dB和7.958 dB,無法檢測出目標,融合后的信噪比為10.41 dB,比單一頻率回波信號最高的信噪比高出1.745 dB. 兩組頻率結果近似,且與仿真結果一致.

(a) 探測頻率為14 MHz

(b) 探測頻率為15 MHz

(c) 探測頻率為16 MHz

(d) 三頻點融合后圖6 相同距離單元上三頻點融合前后的信噪比(1)

(a) 探測頻率為17 MHz

(b) 探測頻率為18 MHz

(c) 探測頻率為19 MHz

(d) 三頻點融合后圖7 相同距離單元上三頻點融合前后的信噪比(2)

從實測數據驗證可以得出,在單一頻率RCS起伏不大但能量較微弱無法通過門限檢測的情況下,經多頻融合后提升信噪比,能夠提取到真實的目標信息,提高了雷達的目標檢測能力.

2 結 論

將多頻探測技術引入高頻雷達中,可以有效解決目標RCS閃爍問題,增加雷達抗干擾能力,并且在該體制下,將多頻信息進行融合,進一步增強雷達的目標檢測能力. 經仿真和實測試驗驗證,能夠提高目標回波信號的信噪比,有效提升雷達的信號檢測能力.

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Target detection based on multi-frequency fusion of HF radar

GUO Xiaotong LI Jining GUO Wenling CHENG Yanfeng ZHANG Lianying

(China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107, China)

Based on serious interference and target fluctuation which HF radar is faced with, it is proposed that multi-frequency detection technique from range radar is applied to HF radar to overcome the restrict the above problem mentioned. Moreover, this paper puts forward an algorithm of multi-frequency information fusion based on non-coherent integration. The algorithm makes non-coherent integration in speed domain, obtaining high signal-to-noise ratio to improve the ability of target detection in HF Radar. Through both simulated and experimental data, the proposed algorithm can improve the signal-to-noise ratio close to the theoretical value, which indicates that this algorithm is effective.

multi-frequency fusion; non-coherent integration; target detection

10.13443/j.cjors.2015070902

2015-07-09

中國電子科技集團公司技術創新基金(JJ-QN-2013-28)

TN011.2

A

1005-0388(2016)03-0592-05

郭曉彤 (1989-),女,河北人,助理工程師,目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達信號處理.

李吉寧 (1982-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為高頻雷達信號處理和電波傳播.

郭文玲 (1986-),女,山東人,工程師,目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達信號處理等.

程延鋒 (1981-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為電波傳播、數值計算、軟件開發等.

張連迎 (1983-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為大氣無線電噪聲測量及電波傳播計算等.

郭曉彤, 李吉寧, 郭文玲, 等. 基于多頻信息融合的高頻雷達目標檢測[J]. 電波科學學報,2016,31(3):592-596.

GUO X T, LI J N, GUO W L, et al. Target detection based on multifrequency fusion of HF radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):592-596. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070902

聯系人： 郭曉彤 E-mail: xtguo1206@sina.cn